電子琴課程設(shè)計(jì)-- 基于單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　物理與信息工程系</b></p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 </p><p>　　課程名稱 專 業(yè) 綜 合 </p><p>　　課題名稱 基于單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè) 電子信息科學(xué)與

2、技術(shù) </p><p>　　年 班 級(jí) 09級(jí)電科3班 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師

3、 </p><p>　　2012年6月1 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　封面1</b></p><p>　　目錄2 </p><p>

4、　　第一章 設(shè)計(jì)要求及工作原理 3</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)3</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)要求3</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)說明3</p><p>　　1.4 設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)介3</p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1 單片機(jī)

5、最小系統(tǒng)5</p><p>　　2.2 鍵盤模塊7</p><p>　　2.3數(shù)碼管模塊7</p><p>　　2.4 發(fā)聲模塊8</p><p>　　第三章 軟件設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 軟件功能模塊9</p><p>　　3.2 軟件程序流程圖10</p>

6、<p>　　3.3 軟件源程序11</p><p>　　第四章 實(shí)驗(yàn)焊接及調(diào)試13</p><p>　　4.1 元器件清單13</p><p>　　4.2電路焊接14</p><p>　　4.2軟件燒寫與調(diào)試14</p><p>　　4.2系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 14</p><p&

7、gt;　　附錄1：電子琴成品圖14</p><p><b>　　心得體會(huì)15</b></p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)要求及工作原理</p><p>　　1.1）、設(shè)計(jì)指標(biāo)：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)一個(gè)（4×4）的鍵盤，并將16個(gè)鍵設(shè)計(jì)成16個(gè)音;</p><p>　?。?）

8、按下按鍵顯示相應(yīng)的鍵值</p><p>　?。?）可彈奏想要表達(dá)的音樂;</p><p>　?。?）該電子琴包含1首示例音樂，接通電源按下按鍵可播放示例音樂。</p><p>　　1.2）、設(shè)計(jì)要求：</p><p>　?。?）按仿真圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì);</p><p>　　（2）制作符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的硬件電路。</p&

9、gt;<p>　　1.3）、設(shè)計(jì)說明：</p><p>　　電子琴是高科技在音樂領(lǐng)域的一個(gè)代表，它是古典文化與現(xiàn)代文明的一個(gè)濃縮體。它不但可以幫助我們的音樂教師進(jìn)行傳統(tǒng)音樂文化的教育教學(xué)工作，而且由于它又具備現(xiàn)代音樂，特別是電子音樂、電腦音樂的基本結(jié)構(gòu)、特征，因而使我們的教師在進(jìn)行現(xiàn)代音樂、電子音樂、電腦音樂的教學(xué)時(shí)，更直接、更簡(jiǎn)便。</p><p>　　單片微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)

10、模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計(jì)算機(jī)，它具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。</p><p>　　電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替

11、代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有15個(gè)彈奏按鍵、1個(gè)播放鍵和揚(yáng)聲器。</p><p>　　1.4）、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單原理介紹</p><p>　　一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)

12、然對(duì)于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。</p><p>　　若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），再將此周期除以2，即為半周期的時(shí)間。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)半周期時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)終止后就將P1.0反相，然后重復(fù)計(jì)時(shí)再反相。就可在P1.0引腳上得到此頻率的脈沖。</p><p&

13、gt;　　利用AT89S51的內(nèi)部定時(shí)器使其工作計(jì)數(shù)器模式（MODE1）下，改變計(jì)數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956μs/1μs＝956，每計(jì)數(shù)956次時(shí)將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。</p><p>　　計(jì)數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式(如式3-1所示)是：</p><p>　

14、　N＝fi÷2÷fr </p><p>　　3-1式中，N是計(jì)數(shù)值；fi是機(jī)器頻率（晶體振蕩器為12MHz時(shí)，其頻率為1MHz）；fr是想要產(chǎn)生的頻率。</p><p>　　其計(jì)數(shù)初值T的求法如下： T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr</p><p>　　例如：設(shè)K＝65536，fi＝1MHz，D

15、O（523Hz）的計(jì)數(shù)值。</p><p>　　T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/f， DO的T＝65536－500000/523＝64580</p><p>　　單片機(jī)12MHZ晶振，高中低音符與計(jì)數(shù)T0相關(guān)的計(jì)數(shù)值如表4-2所示</p><p>

16、　　表3-2 音符頻率表</p><p>　　我們要為這個(gè)音符建立一個(gè)表格，單片機(jī)通過查表的方式來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù) 低音0－19之間，中音在20－39之間，高音在40－59之間</p><p>　　在這個(gè)程序中，彈奏音樂的程序是和播放音樂都用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來完成的</p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2）、硬

17、件總體方案及說明：</p><p>　　51單片機(jī)P2口通過連接4*4的矩陣鍵盤，各鍵盤的音調(diào)在程序中做解釋，P1口接通過74LS247譯碼器連接兩個(gè)數(shù)碼管，按下相應(yīng)的按鍵產(chǎn)生相應(yīng)鍵值，P3.0連接一個(gè)蜂鳴器用于產(chǎn)生示例音樂，P3.7接一個(gè)揚(yáng)聲器，用于各按鍵的音調(diào)發(fā)聲，通過執(zhí)行相應(yīng)的功能程序使電子琴發(fā)出不同音色的聲音。</p><p>　　2.1）、芯片介紹：</p><

18、;p>　　在本次電子琴設(shè)計(jì)中，我們組成員單片機(jī)芯片選用了STC89C52芯片，因?yàn)榘l(fā)下來的AT89S52我們無法下載程序所以改用了自己買的芯片，但是芯片無太大差異，89C51系列的兼容性比較好。下圖為單片機(jī)AT89S52的引腳說明及其最小系統(tǒng)。</p><p><b>　　復(fù)位電路：</b></p><p>　　復(fù)位電路我們本來在方案選擇的時(shí)候有兩種選擇的，上電

19、復(fù)位和按扭復(fù)位，上電復(fù)位是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的，而按扭復(fù)位是電源對(duì)外節(jié)電容的充電使RST為高電平，復(fù)位松開后，電容通過下拉電阻放電，使RST恢復(fù)低電平。為了制作軟件的方便我們還是選擇用按扭復(fù)位，因?yàn)樗容^直觀。</p><p><b>　　時(shí)鐘電路：</b></p><p>　　用兩個(gè)30pf的陶瓷電容與12M的晶振并聯(lián)產(chǎn)生。</p><p>

20、<b>　　其他引腳：</b></p><p>　　31、40引腳接電源，20引腳接地。</p><p>　　P3口特殊功能引腳說明：</p><p>　　2.2）、矩陣模塊：</p><p>　?。?）利用P2口為按鍵接入口，形成4×4組成16個(gè)按鍵矩陣，設(shè)計(jì)成15個(gè)音，下圖所示：</p>&l

21、t;p>　　說明：按下按鍵顯示鍵值，并發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。</p><p>　　2.3）、數(shù)碼管模塊</p><p>　　一位靜態(tài)數(shù)碼管管腳及封裝說明</p><p>　　74LS247引腳及其封裝說明</p><p>　　硬件連接說明：通過按鍵顯示相應(yīng)的鍵值，通過74LS247產(chǎn)生相應(yīng)的二進(jìn)制代碼一次傳送給數(shù)碼管的各個(gè)引腳，使其顯示相應(yīng)的

22、鍵值數(shù)，如圖protues仿真所示，</p><p><b>　　2.4）、發(fā)聲模塊</b></p><p>　　通過一個(gè)P3.7引腳，連接一個(gè)2N~3906然后與揚(yáng)聲器使其放大發(fā)聲， P3.0也通過一個(gè)三極管接到蜂鳴器用于示例音樂播放輸出。</p><p>　　連線說明：具體參照protues仿真電路圖</p><

23、p>　　（4）protues仿真設(shè)計(jì)圖如下：</p><p><b>　　第三章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1）、軟件功能模塊</p><p>　?。?.1.1）鍵盤掃描程序：</p><p>　　檢測(cè)是否有鍵按下，有鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉(zhuǎn)至功能轉(zhuǎn)移程序；無鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢

24、測(cè)</p><p>　?。?.1.2）功能轉(zhuǎn)移程序：</p><p>　　對(duì)檢測(cè)到得按鍵值進(jìn)行判斷，是琴鍵則跳轉(zhuǎn)至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的功能程序，我們?cè)O(shè)計(jì)的功能程序有兩種，即音色調(diào)節(jié)功能和自動(dòng)播放樂曲功能</p><p>　　（3.1.3）琴鍵處理程序：</p><p>　　根據(jù)檢測(cè)到得鍵值，查詢音律表，給計(jì)時(shí)器賦值，使發(fā)出相應(yīng)

25、頻率的聲音</p><p>　?。?.1.4）數(shù)碼管顯示程序</p><p>　　根據(jù)得到的鍵值，通過74LS247轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的八位二級(jí)制并傳送給數(shù)碼管顯示相應(yīng)的鍵值。</p><p>　?。?.1.5）自動(dòng)播放歌曲程序：</p><p>　　檢測(cè)到按鍵按下的是自動(dòng)播放歌曲功能鍵后執(zhí)行該程序，電子琴會(huì)自動(dòng)播放事先已經(jīng)存放好的歌曲，歌曲播放完

26、畢之后自動(dòng)返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下</p><p>　　3.2）、程序簡(jiǎn)易流程圖</p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　

27、　是</b></p><p>　　3.3）、設(shè)計(jì)源程序</p><p>　　#include <reg51.h> </p><p>　　#include <intrins.h> </p><p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　#defi

28、ne uchar unsigned char</p><p>　　sbit SPK = P3^7; //P3.7外接揚(yáng)聲器</p><p>　　sbit BEEP=P3^0; </p><p>　　//生日快樂歌的音符頻率表，不同頻率由不同的延時(shí)來決定 </p><p>　　uchar code SONG_TO

29、NE[]={212,212,190,212,159,169,212,212,190,212,142,159, </p><p>　　212,212,106,126,159,169,190,119,119,126,159,142,159,0}; </p><p>　　//生日快樂歌節(jié)拍表，節(jié)拍決定每個(gè)音符的演奏長(zhǎng)短 </p><p>　　uchar code SONG

30、_LONG[]={9,3,12,12,12,24,9,3,12,12,12,24, </p><p>　　9,3,12,12,12,12,12,9,3,12,12,12,24,0}; </p><p><b>　　//延時(shí) </b></p><p>　　void DelayMS(uint x) </p><p><

31、b>　　{ </b></p><p><b>　　uchar t; </b></p><p>　　while(x--) for(t=0;t<120;t++); </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　//播放函數(shù) </b>

32、</p><p>　　void PlayMusic() </p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int i=0,j,k; </p><p>　　while(SONG_LONG[i]!=0||SONG_TONE[i]!=0) </p><p><b>

33、;　　{ </b></p><p>　　//播放各個(gè)音符，SONG_LONG 為拍子長(zhǎng)度 </p><p>　　for(j=0;j<SONG_LONG[i]*20;j++) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　BEEP=~BEEP; </p><p>

34、　　//SONG_TONE 延時(shí)表決定了每個(gè)音符的頻率 </p><p>　　for(k=0;k<SONG_TONE[i]/3;k++); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　DelayMS(50); </p><p><b>　　i++; </b></p&g

35、t;<p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　uint FreqTemp;</p><p>　　unsigned int code Freqtab[] = { //定時(shí)半周期的初始值</p><p>　　64021,64103,642

36、60,64400, //低音3 4 5 6</p><p>　　64524,64580,64684,64777, //低音7,中音1 2 3</p><p>　　64820,64898,64968,65030, //中音4 5 6 7</p><p>　　65058,65110,65157,65178}; //高音1 2 3 4<

37、/p><p>　　uchar Keyscan(void) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uchar i, j, temp, Buffer[4] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7}; </p><p>　　for(j = 0; j < 4; j++) { //循環(huán)四

38、次，掃描四行</p><p>　　P2 = Buffer[j]; //在低四位分別輸出一個(gè)低電平</p><p><b>　　_nop_(); </b></p><p>　　temp = 0x10; //計(jì)劃先讀出P1.7位</p><p>　　for(i = 0; i <

39、 4; i++) { //循環(huán)四次，檢查四列</p><p>　　if(!(P2 & temp)) { //從高四位，截取1位</p><p>　　return (i + j * 4); //返回取得的按鍵值 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　temp <<= 1;

40、 //換右邊一位</p><p><b>　　} }</b></p><p>　　return 16; //沒有鍵按下就返回16</p><p><b>　　} </b></p><p>　　void Display(uchar k)</p

41、><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=((k/10)<<4)+(k%10);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Main(void) </p><p><b>　　{ </b></p

42、><p>　　uchar Key_Value = 16, Key_Temp1, Key_Temp2;//讀出的鍵值 </p><p>　　TMOD = 0x01; //T0定時(shí)方式1</p><p>　　ET0 = 1; //允許T0中斷</p><p>　　EX0 =

43、1; //允許X0中斷</p><p><b>　　EA = 1;</b></p><p>　　while(1) { </p><p>　　TR0 = 0; //暫不發(fā)音</p><p>　　Key_Temp1 = Keyscan();

44、 //讀入按鍵</p><p>　　if(Key_Temp1 != 16) { //有鍵按下</p><p>　　Display(Key_Value); //顯示鍵值、延時(shí)消抖 </p><p>　　Key_Temp2 = Keyscan(); //再讀一次</p><p>　　if (Key_Temp1 =

45、= Key_Temp2) {//兩次相等</p><p>　　Key_Value = Key_Temp1; //就確認(rèn)下來</p><p>　　FreqTemp = Freqtab[Key_Value]; //根據(jù)鍵值，取出定時(shí)半周期的初始值</p><p>　　Display(Key_Value); //顯示</p><p>　　/

46、/啟動(dòng)定時(shí)器，發(fā)音</p><p>　　if( FreqTemp == Freqtab[15])</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　BEEP=0; </b></p><p><b>　　SPK=1;</b></p>

47、<p>　　PlayMusic(); //播放生日快樂 </p><p>　　DelayMS(500); //播放完后暫停一段時(shí)間 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　TR0 = 1; </p><p>　　while (Keyscan() < 16); /

48、/等待釋放</p><p>　　SPK =1; //停止發(fā)音</p><p><b>　　} } } }</b></p><p>　　//============================================================== </p><p>　　voi

49、d T0_INT(void) interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TL0 = FreqTemp; //載入定時(shí)半周期的初始值</p><p>　　TH0 = FreqTemp >> 8;</p><p>　　SPK =~SPK;

50、 //發(fā)音</p><p><b>　　} </b></p><p>　　//============================================================</p><p>　　第四章 實(shí)驗(yàn)焊接及調(diào)試</p><p>　　4.1）、元器件清單<

51、/p><p>　　主要儀器設(shè)備：計(jì)算機(jī)、萬用表、烙鐵等設(shè)備、5V電源適配器</p><p><b>　　主要元器件： </b></p><p>　　獨(dú)立按鍵 17個(gè)</p><p>　　單片機(jī)AT89S52一片</p><p>　　12MHz晶振 1個(gè)</p><p&g

52、t;　　2N3906三極管 2個(gè)</p><p>　　不同阻值電阻 數(shù)個(gè)</p><p><b>　　電源開關(guān) 1個(gè)</b></p><p>　　喇叭 1個(gè)</p><p>　　蜂鳴器 1個(gè)</p><p>　　30pf電容 2個(gè)</p>

53、<p>　　22u電解電容 1個(gè)</p><p>　　萬能板 1塊</p><p>　　共陽數(shù)碼管 2個(gè)</p><p>　　74ls247譯碼器 2個(gè)</p><p><b>　　導(dǎo)線 若干</b></p><p><b>　　4.2）、電路焊接

54、</b></p><p>　　根據(jù)protues仿真圖，和萬能板的排版，把元器件一一的通過電烙鐵焊接，并盡量簡(jiǎn)潔美觀。</p><p><b>　　4.3）、軟件調(diào)試</b></p><p>　　通過要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫相應(yīng)的程序，通過自頂向下的模塊化程序設(shè)計(jì)，編寫出各模塊的程序，用keil軟件進(jìn)行調(diào)試與編譯，并到protues仿真驗(yàn)

55、證，最終得出成功的程序。</p><p><b>　　4.4）、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)</b></p><p>　　通過開發(fā)板，我們用自己的芯片燒寫程序，到單片機(jī)中，并把單片機(jī)放入我們所焊接的萬能板上面，接通電源，通過萬用表，能工具不斷的調(diào)試，終于能夠穩(wěn)定的工作了。</p><p>　　附錄一：電子琴成品圖</p><p><b

56、>　　五、心得體會(huì)：</b></p><p>　　這次設(shè)計(jì)從軟件方面來講不是很難，protues仿真也不是很難，所以比較容易就做好了準(zhǔn)備，在焊接的過程，兩人相互配合，用了將近8個(gè)小時(shí)，完成焊接，在protues上仿真中看得出效果，因?yàn)樵骷际抢硐霠顟B(tài)的，但做出實(shí)物來卻不是那么簡(jiǎn)單。回去下載程序到單片機(jī)后，接通電源還是有點(diǎn)小小的錯(cuò)誤的，經(jīng)過多次調(diào)試、修改才得以出結(jié)果。調(diào)試成功后,可任意彈奏自己想